KR102615715B1 - 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법 - Google Patents
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Abstract
엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법은, 상기 트랙의 손상된 부분을 상기 베이스의 표면에서 제거하고 이물질이 없도록 세척하는 부분 클리어링 단계, 및 상기 베이스의 표면에서 상기 트랙의 손상된 부분이 제거된 영역에 상기 트랙의 재료와 동일한 재료를 3D 프린팅으로 적층하여 상기 트랙을 복구하는 3D 프린팅 단계를 구비한다.
Description
본 발명은 엑스선관의 타겟에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엑스선관 타겟의 트랙이 손상된 경우 이를 복구하는 방법에 관한 것이다.
전자가 고속으로 타겟(target)에 충돌하면 엑스선(X-ray)이 방출되는데, 엑스선관(X-ray tube)은 이러한 원리를 이용하여 의도적으로 엑스선을 방출시키는데 사용된다. 엑스선관을 내부에 포함하여서, 엑스선을 방출하여 예컨대, 인체 내부를 관찰하는 의료용 진단 기기나 비파괴 검사 기기로 사용되는 장치를 엑스선관 장치라고 한다.
엑스선관은 양극(anode), 즉 타겟(target)과 음극(cathode)의 전위차에 의해 전자가 가속되어 엑스선관 타겟에 충돌하며, 이때 엑스선이 방출된다. 구체적으로, 엑스선관 타겟의 표면에는 전자가 충돌하면 엑스선을 방출하는 금속이 적층되어 있는데, 이를 트랙(track)이라 한다. 엑스선관의 사용으로 인해 상기 트랙은 마모되거나 손상된다. 트랙에 마모되거나 손상된 부분이 많은 경우, 엑스선 생성율이 저하되어 의료용 진단이나 비파괴 검사에서 오류가 발생한다. 따라서, 종래에는 엑스선관의 사용 수명을 늘리기 위해 엑스선관 타겟을 새 것으로 교체해 주는 방법이 사용되었다. 그러나, 엑스선관을 새 것으로 교체하는 것과 비교하여 비용 측면에서 큰 차이가 나지 않을 정도로 엑스선관 타겟이 상대적으로 고가이기도 하고, 트랙을 제외한 엑스선관 타겟의 다른 부분, 즉 베이스를 재활용하지 않고 폐기하는 경우 환경에 부담을 주게 되는 문제도 있다.
본 발명은, 금속의 3D 프린팅(printing)을 적용하여 엑스선관 타겟의 트랙의 손상된 부분을 복구함으로써, 비용을 절감하고 엑스선관 타겟의 폐기로 인한 환경 오염도 억제하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법을 제공한다.
본 발명은, 베이스와 상기 베이스의 표면에 적층된 트랙(track)을 구비한 엑스선관 타겟에서 상기 트랙이 손상된 경우에 복구하는 방법으로서, 상기 트랙의 손상된 부분을 상기 베이스의 표면에서 제거하고 이물질이 없도록 세척하는 부분 클리어링(clearing) 단계, 및 상기 베이스의 표면에서 상기 트랙의 손상된 부분이 제거된 영역에 상기 트랙의 재료와 동일한 재료를 3D 프린팅(printing)으로 적층하여 상기 트랙을 복구하는 3D 프린팅 단계를 구비하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 베이스와 상기 베이스의 표면에 적층된 트랙(track)을 구비한 엑스선관 타겟에서 상기 트랙이 손상된 경우에 복구하는 방법으로서, 상기 베이스의 표면에서 상기 트랙을 전부 제거하고 상기 베이스의 표면에 이물질이 없도록 세척하는 트랙 클리어링 단계, 및 상기 트랙이 전부 제거된 베이스의 표면에 전자의 충돌에 의해 엑스선이 방출되는 금속 재료를 3D 프린팅으로 적층하여 상기 트랙을 복구하는 3D 프린팅 단계를 구비하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법을 제공한다.
상기 3D 프린팅 단계는, 금속 분말을 레이저빔(laser beam) 및 전자빔(electron beam) 중 한 종류의 빔(beam)으로 상기 베이스의 표면에 용융 접합하여 트랙을 복구하는 DED(direct energy deposition) 단계를 구비할 수 있다.
상기 DED 단계는, 상기 베이스의 표면으로 텅스텐(W) 분말과 레늄(Re) 분말을 연속적으로 공급하는 단계, 및 상기 베이스의 표면으로 공급된 텅스텐 분말과 레늄 분말에 레이저빔 및 전자빔 중 한 종류의 빔을 조사하여 상기 텅스텐 분말과 레늄 분말을 용융시키고 상기 베이스의 표면에 접합시키는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명의 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법은, 상기 3D 프린팅 단계 이후에, 상기 트랙의 형상에 대응되게 형성된 다수의 트랙 홈부(groove portion)에 상기 복구된 트랙을 끼워 넣고 가압하여 상기 복구된 트랙의 형상을 교정하고 물성을 개선하는 단조 가공 단계를 더 구비할 수 있다.
상기 단조 가공 단계 이전에 상기 복구된 트랙의 높이는 2 내지 4mm 이고, 상기 단조 가공 단계 이후에 상기 복구된 트랙의 높이는 1 내지 2mm 이며, 상기 단조 가공 단계 이후에 상기 복구된 트랙의 표면 경도는 적어도 Hv 350 일 수 있다.
상기 단조 가공 단계는 상기 트랙이 적층된 베이스를 1100 내지 1200℃ 의 온도 환경에서 열간 단조하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속의 3D 프린팅을 적용하여 엑스선관 타겟의 트랙에서 손상된 부분을 복구한다. 따라서, 엑스선관 타겟이나 엑스선관을 새 것으로 교체하지 않고 복구하여 다시 사용할 수 있으므로, 엑스선관 타겟 및 엑스선관을 구비한 장치의 내구 연한이 연장되고, 엑스선관 장치의 운용 및 유지 비용이 절감되며, 엑스선관 타겟의 폐기로 인한 환경 오염도 억제된다.
도 1은 엑스선관 타겟을 구비한 엑스선관의 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법을 순차적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법을 순차적으로 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 엑스선관 타겟을 구비한 엑스선관의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 엑스선관(10)은 예컨대, 전산화 단층 영상(CT; computed tomography) 촬영 기기와 같은 의료용 영상 기기에 포함되는 엑스선관 장치(미도시)의 내부에 삽입 장착되어 엑스선(X-ray)을 생성 방출하는 것으로, 진공 튜브(vacuum tube)(11), 음극(cathode)(16), 양극(anode)(30), 로터(rotor)(28), 및 스테이터(stator)(미도시)를 구비한다.
진공 튜브(11)는 외형이 종(bell)과 유사하여 소위 벨캔(bellcan)으로 불리우기도 한다. 진공 튜브(11)는 상대적으로 직경이 큰 대직경부(13)와, 대직경부(13)에서 이어져 대직경부(13) 아래에 배치되며, 상기 대직경부(13)보다 직경이 작은 소직경부(14)을 구비한다. 진공 튜브(11)는 밀봉되고, 진공 튜브(11)의 내부 공간은 고진공 상태로 유지된다.
음극(16)은 진공 튜브(11)의 상측에 고정되며, 상기 양극(30)과의 사이에 대략 150V(volt)의 전위차를 형성한다. 음극(16)에서 생성된 전자(electron)는 상기 전위차에 의해 가속되어 상기 양극(30)으로 투사된다. 상기 양극(30)에 전자가 투사되어 충돌하므로, 상기 양극(30)을 엑스선관 타겟(target)이라 한다.
엑스선관 타겟(30)은 디스크(disk) 형태의 부재로서, 몰리브덴(Mo)을 포함하는 금속, 즉 순수 몰리브덴이나 몰리브덴을 주재료로 포함하는 몰리브덴 합금으로 이루어진 베이스(base)(31)와, 베이스(31)의 상측면 외주부의 트랙 적층 경사면(33)(도 3 참조)에 적층되고 텅스텐(W)과 레늄(Re)의 합금으로 이루어진 트랙(track)(40)을 구비한다. 상기 트랙(40)에 상기 음극(16)에서 고속 투사된 전자가 충돌하여 엑스선이 방출된다.
상기 베이스(31)의 소재인 몰리브덴 합금은 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 및 몰리브덴(Mo)을 포함한 TZM 합금일 수 있다. 이 경우 상기 엑스선관 타겟(30)을 TZM 타겟이라고도 한다. 상기 트랙(40)의 소재인 텅스텐과 레늄의 합금은 예컨대, 텅스텐 90 wt%, 레늄 10 wt% 일 수 있다. 도 1에 도시되진 않았으나, 엑스선관 타겟(30)은 열용량을 확대하고 방열을 촉진하기 위하여 상기 베이스(31) 아래에 흑연(graphite)이나 C-C 복합체(Carbon-Carbon composite)로 된 흡열층을 더 구비할 수도 있다.
엑스선관 타겟(30)의 중심을 상하 방향으로 관통하는 관통공(32)(도 3 참조)에 끼워지고 고정 캡(cap)(27)에 의해 엑스선관 타겟(30)에 고정된 타겟 연결 샤프트(23)는, 엑스선관 타겟(30)을 상하 방향으로 연장된 가상의 회전 축선(RC)을 중심으로 회전 가능하게 지지한다. 진공 튜브(11)의 소직경부(14) 내측에 배치된 원통 형상의 로터(28)는 상기 타겟 연결 샤프트(23)에 고정 결합된다. 상기 로터(28)의 내측에서 상기 회전 축선(RC)을 따라 연장된 내부 샤프트(25)의 상단은 상기 타겟 연결 샤프트(23)에 고정 결합된다. 샤프트 지지체(17)는 진공 튜브(11)의 하단이 밀봉되도록 상기 진공 튜브(11)의 하단에 고정 결합되고, 상측 베어링(bearing)(21)과 하측 베어링(22)이 상기 내부 샤프트(25)와 샤프트 지지체(17) 사이에 개재된다. 이와 같은 구성으로, 서로 고정 결합된 내부 샤프트(25), 로터(28), 타겟 연결 샤프트(23), 및 엑스선관 타겟(30)은 진공 튜브(11) 내부에서 샤프트 지지체(17)에 회전 축선(RC)을 중심으로 고속 회전 가능하게 지지된다.
상기 스테이터(미도시)는 진공 튜브(11)의 소직경부(14) 바깥에서 로터(28)를 에워싸도록 권선된 코일(coil)(미도시)을 구비한다. 상기 코일에 전류가 인가되면 전자기력이 발생하고, 이 전자기력에 의해 상기 로터(28) 및 이에 고정 결합된 내부 샤프트(25), 타겟 연결 샤프트(23), 및 엑스선관 타겟(30)이 회전 축선(RC)을 기준으로 회전하게 된다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법을 순차적으로 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법은, 부분 클리어링(clearing) 단계, 3D 프린팅 단계, 및 단조 가공 단계를 구비한다. 도 2를 참조하면, 상기 부분 클리어링 단계는 베이스(31)의 표면, 구체적으로 트랙 적층 경사면(33)(도 3 참조)에 적층된 트랙(40)의 손상된 부분(DA)을 상기 베이스(31)의 트랙 적층 경사면(33)에서 제거하고 이물질이 없도록 세척하는 단계이다.
베이스(31)는 대체로 원반(disk) 형상이며, 중심부에 마련된 수평한 원형의 내측면(34)과, 상기 내측면(34)의 바깥에 외주 측으로 갈수록 두께가 얇아지게 경사진 트랙 적층 경사면(33)과, 상기 트랙 적층 경사면(33)의 반대측에 마련된 수평한 원형의 트랙 반대측면(35)(도 3 참조)을 포함한다. 상기 트랙(40)은 상기 회전 축선(RC)을 중심으로 하는 동심원 궤도를 따라 트랙 적층 경사면(33)에서 돌출된 다수의 트랙 돌기(41)를 구비한다.
상기 트랙(40)에서 손상된 부분(DA)은 트랙 돌기(41)에서 금속 조각이 떨어져 나가 손실된 부분으로, 상기 금속 조각이 떨어져 분리된 표면이 매끄럽지 않고 미세한 파티클(particle)과 같은 이물질이 붙어 있을 수 있다. 따라서, 손상된 부분(DA)이 있는 트랙 돌기(41)를 도 2에서 점선으로 도시된 가상의 제거선(RL)까지 연삭 및 연마하여 상기 손상된 부분(DA)을 베이스(31)의 표면에서 깨끗이 제거할 수 있다. 상기 제거선(RL)은 상기 손상된 부분(DA)이 제거된 영역의 경계선이 된다. 상기 제거선(RL)은 연삭 및 연마에 의해 형성되므로 표면이 매끄럽게 형성되어서 후술할 3D 프린팅 단계에서 용융 적층되는 금속 재료가 제거되지 않고 잔존한 트랙 돌기(41)와 이질감없이 강하게 접합될 수 있다.
상기 부분 클리어링 단계는, 연삭 및 연마를 통해 상기 손상된 부분(DA)을 제거한 후에 베이스(31)의 상측면과 트랙(40)의 표면에 있을 수 있는 이물질을 제거하기 위한 세척 단계를 더 구비할 수 있다. 한편, 상기 부분 클리어링 단계에 앞서서, 엑스선관 타겟(30)에서 상기 손상된 부분(DA)의 존재 여부와 그 위치를 관찰하는 단계와, 상기 엑스선관 타겟(30)을 엑스선관(10)(도 1 참조)에서 분리해 내는 단계가 선행된다. 상기 손상된 부분(DA)을 관찰하는 단계는 육안(肉眼) 관찰을 통해 수행될 수 있다.
도 3을 참조하면, 3D 프린팅 단계는, 베이스(31)의 표면, 구체적으로 트랙 적층 경사면(33)에서 트랙(40)의 손상된 부분(DA)(도 2 참조)이 제거된 영역에 트랙(40)의 재료와 동일한 재료를 3D 프린팅(printing)으로 적층하여 상기 트랙(40)을 복구하는 단계이다. 상기 '트랙(40)의 손상된 부분(DA)이 제거된 영역'은 도 2에서 한 쌍의 제거선(RL)을 경계로 하며 손상된 부분(DA)이 사이에 배치되는 영역으로, 연삭 또는 연마 가공에 의해 트랙 돌기(41)에서 제거되어 트랙 적층 경사면(33)이 노출되는 영역을 말한다. 상기 트랙(40)의 재료인 금속은 상술한 바와 같이 텅스텐(W)과 레늄(Re)의 합금일 수 있다.
상기 3D 프린팅 단계는, 금속 분말(PO1, PO2)을 레이저빔(laser beam)으로 상기 트랙 적층 경사면(33)에 용융 접합하여 트랙을 복구하는 DED(direct energy deposition) 단계를 구비한다. DED 단계는 프린팅 헤드(head)(50)를 구비하는 장치를 이용하여 수행될 수 있다. 프린팅 헤드(50)에는 상기 프린팅 헤드(50)의 내부로 텅스텐(W) 분말(PO1) 및 레늄(Re) 분말(PO2)을 각각 공급하는 텅스텐 분말 공급기(65) 및 레늄 분말 공급기(66)와, 상기 텅스텐 분말(PO1) 및 레늄 분말(PO2)을 고속으로 유동(流動)시키는 캐리어 가스(carrier gas)를 상기 프린팅 헤드(50)의 내부로 공급하는 캐리어 가스 공급기(67)가 연결된다. 또한 도시되진 않았으나, 프린팅 헤드(50) 하단부의 노즐(53)의 과열로 인한 프린팅 헤드(50)의 고장이나 폭발을 방지하는 노즐 보호 가스(nozzle shielding gas)(SG)를 상기 프린팅 헤드(50)의 내부로 공급하는 노즐 보호 가스 공급기도 상기 프린팅 헤드(50)에 연결될 수 있다.
프린팅 헤드(50)는 그 내부에 레이저빔(BE)을 상기 노즐(53)을 향한 방향으로 투사하는 빔 투사기(51)과, 상기 레이저빔(BE)의 에너지가 상기 노즐(53) 아래에 배치된 베이스(31)의 트랙 적층 경사면(33)에 집중되도록 안내하는 광학계(미도시)를 구비한다. 또한, 프린팅 헤드(50)의 내부에는 상기 캐리어 가스에 실려 고속으로 유동하는 텅스텐 분말(PO1)이 상기 노즐(53)의 아래로 방출되도록 안내하는 텅스텐 분말 유로와, 상기 캐리어 가스에 실려 고속으로 유동하는 레늄 분말(PO2)이 상기 노즐(53)의 아래로 방출되도록 안내하는 레늄 분말 유로와, 상기 노즐 보호 가스(SG)를 상기 노즐(53) 내부를 관통하여 아래로 방출되도록 안내하는 노즐 보호 가스 유로가 형성된다.
상기 DED 단계는, 베이스(31)의 트랙 반대측면(35)이 아래를 향하도록 상기 베이스(31)를 작업 테이블(60)에 고정 지지하는 단계와, 상기 노즐(53)이 상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)(도 2 참조)이 제거된 영역 위에 정렬되도록 상기 프린팅 헤드(50)를 상기 베이스(31)의 위에 배치하고, 상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)이 제거된 영역으로 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)을 연속적으로 공급하는 단계와, 상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)이 제거된 영역으로 공급된 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)에 레이저빔(BE)을 조사하여 상기 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)을 용융시켜 상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)이 제거된 영역이 채워지도록 상기 용융된 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)을 상기 트랙 적층 경사면(33)에 접합시키는 단계를 구비한다.
부연하면, 상기 노즐(53)의 아래로 방출되는 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)은 상기 레이저빔(BE)의 에너지가 집중되는 지점을 향해 진행하여 혼합됨과 동시에 상기 레이저빔(BE)에 의해 용융되고, 상기 용융된 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)의 혼합 금속은 상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)이 제거된 영역을 채우면서 상기 트랙 적층 경사면(33)에 적층된다. 상기 레이저빔(BE)의 에너지에 의해 상기 트랙 적층 경사면(33) 및 상기 제거선(RL) 부분, 다시 말해 손상된 트랙 돌기(41)의 경계 부분도 부분적으로 용융된 상태이므로 상기 용융된 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)의 혼합 금속이 상기 트랙 적층 경사면(33)과 상기 손상된 트랙 돌기(41)에 강한 접합력으로 접합 적층된다.
상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)(도 2 참조)이 제거된 영역이 복수 개인 경우에, 이들 영역 중 하나의 영역을 3D 프린팅으로 메운 후에, 상기 프린팅 헤드(50)를 수평으로 이동시키거나 상기 작업 테이블(60)을 적절한 각도만큼 회전시켜 상기 노즐(53)을 다른 하나의 영역 위에 정렬시키고, 다시 3D 프린팅으로 이 영역을 메우는 과정을 반복 수행한다.
상기 3D 프린팅 단계를 통해 상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)(도 2 참조)이 제거된 영역에 채워져 복구된 트랙의 높이, 구체적으로 복구된 트랙 돌기(42)의 높이(HT1)는 2 내지 4mm 일 수 있다. 이에 반해 손상되지 않고 잔존하는 기존의 트랙 돌기(41)의 높이(HT0)는 상기 복구된 트랙 돌기(42)의 높이(HT1)보다 작으며, 1 내지 2mm 일 수 있다. 상기 트랙(40)의 손상된 부분(DA)이 제거된 영역에 채워지는 금속은 상기 노즐(53) 아래로 토출되는 노즐 보호 가스(SG)에 의해 적절히 냉각되므로 복구된 트랙 돌기(42)의 형상이 붕괴되지 않고 유지된다.
한편, 이상에서 도 3을 참조하여 레이저빔(BE)으로 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)을 용융하는 프린팅 헤드(50)와 이를 적용한 DED 단계에 대해서만 언급하였으나, 본 발명에 따른 엑스선관 타겟의 복구 방법이 이에 한정되는 것은 아니며, 전자빔(electron beam)을 투사하여 텅스텐 분말과 레늄 분말을 용융하는 단계를 포함하는 DED 단계를 구비할 수도 있다.
도 4를 참조하면, 상기 단조 가공 단계는 엑스선관 타겟(30)의 트랙(40)의 형상에 대응되게 형성된 다수의 트랙 홈부(groove portion)(74)에 상기 복구된 트랙(40)을 끼워 넣고 가압하여 상기 복구된 트랙(40)의 형상을 교정하고 물성을 개선하는 단계이다. 여기서, 상기 복구된 트랙(40)은 손상되지 않은 기존의 트랙 돌기(41) 뿐만 아니라 상기 3D 프린팅에 의해 복구된 트랙 돌기(42)를 포함한다.
상기 트랙 홈부(74)는 트랙(40)에 손상된 부분(DA)(도 2 참조)이 없다고 가정할 때 정상 상태인 트랙 돌기(41)가 빈틈없이 면접촉될 수 있도록 오목하게 파인 홈부를 의미한다. 상기 다수의 트랙 홈부(74)는 트랙 돌기(41)에 대응되게 동심원 궤도를 따라 연장되고, 각각의 트랙 홈부(74)의 단면 형상은 물결 형상일 수 있다. 각각의 트랙 홈부(74)의 깊이(GD2)는 손상되지 않은 정상 상태인 트랙 돌기(41)의 높이(HT0)와 같을 수 있다.
구체적으로, 상기 단조 가공 단계는 단조용 금형(mold)(71)과 단조용 프레스 블록(press block)(76)을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 단조용 금형(71)은 그 상측면(72)에 트랙(40)이 적층된 엑스선관 타겟(30)의 내측면(34)과 상기 트랙(40)의 표면 형상에 대응되는 형상의 바닥면을 구비한 단조 홈(73)이 형성된다. 상기 다수의 트랙 홈부(74)는 상기 단조 홈(73)의 바닥면에 마련된다.
상기 베이스(31)의 상측면이 아래를 향하도록 상기 엑스선관 타겟(30)의 위아래를 뒤집어서 상기 단조 홈(73)에 끼웠을 때 도 4에 도시된 바와 같이 기존의 트랙 돌기(41) 및 복구된 트랙 돌기(42)가 다수의 트랙 홈부(74)와 일대일로 대응되게 서로 마주볼 수 있다. 상기 단조용 프레스 블록(76)으로 가압하기 전에는 도 4에 도시된 바와 같이 기존의 트랙 돌기(41)의 높이(HT0)보다 더 높은 높이(HT1)를 갖는 복구된 트랙 돌기(42)는 자신과 마주보는 트랙 홈부(74)에 접촉되나, 상기 기존의 트랙 돌기(41)는 자신과 마주보는 트랙 홈부(74)와 이격될 수 있다.
상기 단조 홈(73)의 최대 깊이(GD1)는 상기 베이스(31)의 내측면(34)과 트랙 반대측면(35) 사이의 높이(HB0)보다 약간 작다. 도 4에 도시된 바와 같이 상기 엑스선관 타겟(30)이 상기 단조 홈(73)에 끼워진 상태로 단조용 프레스 블록(76)의 편평한 하측면(77)을 베이스(31)의 트랙 반대측면(35)에 밀착시키고, 상기 단조용 프레스 블록(76)을 아래로 가압하면, 상기 복구된 트랙 돌기(42)의 높이(HT1)가 이와 마주보는 트랙 홈부(74)의 깊이(GD2)와 같아지도록 트랙(40)이 단조 가공된다. 이로 인해 상기 복구된 트랙 돌기(42) 뿐만 아니라 기존의 트랙 돌기(41)도 각각 자신과 마주보는 트랙 홈부(74)에 빈틈없이 면접촉될 수 있다.
이와 같이 트랙(40)이 단조 가공됨으로서, 상기 복구된 트랙 돌기(42)가 수축되어 밀도가 커지고 조직이 치밀해지면서 기존의 트랙 돌기(41)와 물성이 같아지게 된다. 구체적으로, 상기 단조 가공 단계 후에 상기 복구된 트랙 돌기(42)를 포함하는 복구된 트랙(40)의 표면 경도는 적어도 Hv 350 또는 그 이상으로 향상될 수 있다. 상기 단조 가공 단계에서 상기 복구된 트랙(40)의 소성 변형과 물성 개선이 촉진되도록 상기 단조 가공 단계는 상기 트랙(40)이 적층된 베이스(31)를 1100 내지 1200℃ 의 고온 온도 환경에서 열간 단조하는 단계를 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법은, 트랙 클리어링(clearing) 단계, 3D 프린팅 단계, 및 단조 가공 단계를 구비할 수 있다. 도 2를 다시 참조하면, 상기 트랙 클리어링 단계는 엑스선관 타겟(30)의 베이스(31)의 표면, 즉 트랙 적층 경사면(33)에서 손상된 부분(DA)을 포함하는 트랙(40)을 전부 제거하고 상기 베이스(31)의 표면, 즉 트랙 적층 경사면(33)에 이물질이 없도록 세척하는 단계이다. 다시 말해, 손상된 부분(DA)을 포함하는 트랙 돌기(41) 뿐만 아니라 정상 상태인 트랙 돌기(41)까지 트랙 적층 경사면(33)에서 모두 제거하는 것이다. 트랙(40)을 제거하고 세척하는 구체적인 방법은 상술한 부분 클리어링 단계의 경우와 유사하므로 언급을 생략한다.
상기 3D 프린팅 단계는, 상기 트랙(40)이 전부 제거된 베이스(31)의 표면, 즉 트랙 적층 경사면(33)에 전자의 충돌에 의해 엑스선이 방출되는 금속 재료를 3D 프린팅으로 적층하여 상기 트랙을 복구하는 단계이다. 상기 3D 프린팅 단계는 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법에 포함된 3D 프린팅 단계와 마찬가지로 프린팅 헤드(50)를 이용한 DED 방식으로 수행되며, 상기 전자의 충돌에 의해 의해 엑스선이 방출되는 금속 재료는, 텅스텐(W)과 레늄(Re)의 합금일 수 있다.
상기 3D 프린팅 단계는, 상기 베이스(31)를 상기 트랙 반대측면(35)이 아래를 향하도록 작업 테이블(60)에 고정 지지하는 단계와, 상기 베이스(31)가 중앙의 회전 축선(RC)을 중심으로 회전하도록 상기 작업 테이블(60)을 회전시키는 단계와, 상기 노즐(53)이 상기 베이스(31)의 트랙 적층 경사면(33) 위에 정렬되도록 상기 프린팅 헤드(50)를 상기 베이스(31)의 위에 배치하고, 상기 트랙 적층 경사면(33)으로 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)을 연속적으로 공급하는 단계와, 상기 트랙 적층 경사면(33)으로 공급된 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)에 레이저빔(BE)을 조사하여 상기 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)을 용융시키고 상기 트랙 적층 경사면(33)에 접합시키는 단계를 구비한다.
부연하면, 상기 노즐(53)의 아래로 방출되는 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)은 상기 레이저빔(BE)의 에너지가 집중되는 지점을 향해 진행하여 혼합됨과 동시에 상기 레이저빔(BE)에 의해 용융되고, 상기 용융된 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)의 혼합 금속은 상기 트랙 적층 경사면(33)에 적층된다. 상기 레이저빔(BE)의 에너지에 의해 상기 트랙 적층 경사면(33)도 부분적으로 용융된 상태이므로 상기 용융된 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)의 혼합 금속이 상기 트랙 적층 경사면(33)에 강한 접합력으로 접합 적층된다.
상기 베이스(31)가 회전 축선(RC)을 따라 한 바퀴를 회전하면 상기 회전 축선(RC)으로부터 일정한 거리만큼 이격된 동심원 궤도를 따라 복구된 트랙 돌기(42)가 형성된다. 트랙 적층 경사면(33)에 용융 접합된 금속은 상기 노즐(53) 아래로 토출되는 노즐 보호 가스(SG)에 의해 적절히 냉각되므로 상기 복구된 트랙 돌기(42)의 형상이 붕괴되지 않고 유지된다.
상기 베이스(31)가 한 바퀴 회전한 후에, 상기 프린팅 헤드(50)을 이용하여 상기 텅스텐 분말(PO1)과 레늄 분말(PO2)을 용융시키고 상기 트랙 적층 경사면(33)에 접합시키는 단계를 반복하면 상기 회전 축선(RC)을 중심으로 하는 동심원 형상의 다수의 복구된 트랙 돌기(42)가 형성된다. 상기 다수의 복구된 트랙 돌기(42)가 복구된 트랙(40)을 구성한다. 상기 복구된 트랙(40)에는 상기 트랙 클리어링 단계 이전에 남아있던 기존의 트랙 돌기(41)는 존재하지 않는다. 상기 복구된 트랙(40)의 높이, 구체적으로 각각의 복구된 트랙 돌기(42)의 높이(HT1)는 2 내지 4mm 일 수 있다.
상기 단조 가공 단계는, 도 4를 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법에 포함된 단조 가공 단계와 마찬가지로 엑스선관 타겟(30)의 트랙(40)의 형상에 대응되게 형성된 다수의 트랙 홈부(groove portion)(74)에 상기 복구된 트랙(40)을 끼워 넣고 가압하여 상기 복구된 트랙(40)의 형상을 교정하고 물성을 개선하는 단계이다. 여기서, 상기 복구된 트랙(40)은 상기 3D 프린팅에 의해 복구된 다수의 트랙 돌기(42)만을 구비하여 구성된다.
상기 트랙 홈부(74)는 상기 복구된 트랙 돌기(42)의 높이(HT1)보다 작은 크기의 깊이(GD2)를 갖도록 오목하게 파인 홈부이다. 다수의 트랙 홈부(74)는 상기 다수의 복구된 트랙 돌기(42)에 일대일 대응되게 동심원 궤도를 따라 연장되고, 이다. 형성된다. 상기 트랙 클리어링 단계에서 제거된 정상 상태인 트랙 돌기(41)가 빈틈없이 면접촉될 수 있도록 오목하게 파인 홈부를 의미한다. 상기 다수의 트랙 홈부(74)는 다수의 복구된 트랙 돌기(42)에 대응되게 동심원 궤도를 따라 연장되고, 각각의 트랙 홈부(74)의 단면 형상은 물결 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법에 포함된 단조 가공 단계에서 설명한 바와 같이 엑스선관 타겟(30)의 베이스(31)의 상측면이 아래를 향하도록 상기 엑스선관 타겟(30)의 위아래를 뒤집어서 상기 단조용 금형(71)의 단조 홈(73)에 끼웠을 때 다수의 복구된 트랙 돌기(42)가 다수의 트랙 홈부(74)와 일대일로 대응되게 서로 마주볼 수 있다. 이와 같이 상기 엑스선관 타겟(30)이 상기 단조 홈(73)에 끼워진 상태로 단조용 프레스 블록(76)의 편평한 하측면(77)을 베이스(31)의 트랙 반대측면(35)에 밀착시키고, 상기 단조용 프레스 블록(76)을 아래로 가압하면, 상기 다수의 복구된 트랙 돌기(42)의 높이(HT1)가 이와 마주보는 다수의 트랙 홈부(74)의 깊이(GD2)와 같아지도록 트랙(40)이 단조 가공된다. 이로 인해 각각의 복구된 트랙 돌기(42)는 자신과 마주보는 트랙 홈부(74)에 빈틈없이 면접촉될 수 있다.
이와 같이 트랙(40)이 단조 가공됨으로서, 상기 다수의 복구된 트랙 돌기(42)가 수축되어 밀도가 커지고 조직이 치밀해지도록 물성이 개선된다. 구체적으로, 상기 단조 가공 단계 후에 상기 복구된 트랙 돌기(42)를 포함하는 복구된 트랙(40)의 표면 경도는 적어도 Hv 350 또는 그 이상으로 향상될 수 있다. 상기 단조 가공 단계에서 상기 다수의 복구된 트랙(40)의 소성 변형과 물성 개선이 촉진되도록 상기 단조 가공 단계는 상기 트랙(40)이 적층된 베이스(31)를 1100 내지 1200℃ 의 고온 온도 환경에서 열간 단조하는 단계를 구비하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 본 발명의 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법에 의하면, 금속의 3D 프린팅을 적용하여 엑스선관 타겟(30)의 트랙(40)에서 손상된 부분을 복구한다. 따라서, 엑스선관 타겟(30)이나 엑스선관(10)을 새 것으로 교체하지 않고 복구하여 다시 사용할 수 있으므로, 엑스선관 타겟(30) 및 엑스선관(10)을 구비하는 장치의 내구 연한이 연장되고, 엑스선관 장치의 운용 및 유지 비용이 절감되며, 엑스선관 타겟(30)의 폐기로 인한 환경 오염도 억제된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 엑스선관 30: 엑스선관 타겟
31: 베이스 40: 트랙
50: 프린팅 헤드 60: 테이블
71: 단조용 금형 74: 트랙 홈부
31: 베이스 40: 트랙
50: 프린팅 헤드 60: 테이블
71: 단조용 금형 74: 트랙 홈부
Claims (7)
- 베이스와 상기 베이스의 표면에 적층된 트랙(track)을 구비한 엑스선관 타겟에서 상기 트랙이 손상된 경우에 복구하는 방법으로서,
상기 트랙의 손상된 부분을 상기 베이스의 표면에서 제거하고 이물질이 없도록 세척하는 부분 클리어링(clearing) 단계;
상기 베이스의 표면에서 상기 트랙의 손상된 부분이 제거된 영역에 상기 트랙의 재료와 동일한 재료를 3D 프린팅(printing)으로 적층하여 원하는 높이보다 높은 트랙 돌기를 가지도록 상기 트랙을 복구하는 3D 프린팅 단계; 및
상기 3D 프린팅 단계 이후에, 상기 트랙의 형상에 대응되게 형성된 다수의 트랙 홈부(groove portion)에 상기 복구된 트랙을 끼워 넣고 가압하여 상기 복구된 트랙의 형상을 교정하고 물성을 개선하는 단조 가공 단계;를 구비하고,
상기 단조 가공 단계는, 단조용 금형과 단조용 프레스 블록 사이에, 상기 복구된 트랙이 상기 단조용 금형 방향을 향하도록 상기 베이스를 끼워 넣고 가압하여 이루어지고,
상기 단조용 금형의 상측면에는, 상기 트랙이 적층된 엑스선관 타겟의 내측면과, 상기 트랙의 표면 형상에 대응하는 바닥면을 구비하고, 상기 다수의 트랙 홈부는 상기 바닥면에 형성되고,
상기 단조 가공 단계는, 상기 단조 가공 단계 이전에 상기 복구된 트랙 돌기의 높이보다 상기 단조 가공 단계 이후에 상기 복구된 트랙 돌기의 높이가 낮아지도록 단조용 금형과 단조용 프레스 블록을 가압하는 것을 특징으로 하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 3D 프린팅 단계는, 금속 분말을 레이저빔(laser beam) 및 전자빔(electron beam) 중 한 종류의 빔(beam)으로 상기 베이스의 표면에 용융 접합하여 트랙을 복구하는 DED(direct energy deposition) 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법. - 제3 항에 있어서,
상기 DED 단계는, 상기 베이스의 표면으로 텅스텐(W) 분말과 레늄(Re) 분말을 연속적으로 공급하는 단계, 및 상기 베이스의 표면으로 공급된 텅스텐 분말과 레늄 분말에 레이저빔 및 전자빔 중 한 종류의 빔을 조사하여 상기 텅스텐 분말과 레늄 분말을 용융시키고 상기 베이스의 표면에 접합시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 단조 가공 단계 이전에 상기 복구된 트랙의 높이는 2 내지 4mm 이고,
상기 단조 가공 단계 이후에 상기 복구된 트랙의 높이는 1 내지 2mm 이며,
상기 단조 가공 단계 이후에 상기 복구된 트랙의 표면 경도는 적어도 Hv 350 인 것을 특징으로 하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법. - 제1 항에 있어서,
상기 단조 가공 단계는 상기 트랙이 적층된 베이스를 1100 내지 1200℃ 의 온도 환경에서 열간 단조하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법.
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| KR20220135906A KR20220135906A (ko) | 2022-10-07 |
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| KR1020210042194A KR102615715B1 (ko) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | 엑스선관 타겟의 트랙 복구 방법 |
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Family Cites Families (2)
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| US5159619A (en) * | 1991-09-16 | 1992-10-27 | General Electric Company | High performance metal x-ray tube target having a reactive barrier layer |
| KR102015640B1 (ko) | 2018-04-11 | 2019-08-28 | 주식회사 동남케이티씨 | 양극회전형 엑스선관용 회전양극타겟 제작용 몰드장치 및 이를 이용한 회전양극타겟 제조방법 |
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| KR102091001B1 (ko) * | 2019-01-14 | 2020-03-19 | 주식회사 이엠엘 | 메탈 3ｄ 프린팅을 이용한 합금 타겟의 제조 및 리페어링 방법 |
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